golang 逃逸分析详解

疑问

请问main调用GetUserInfo后返回的&User{...}。这个变量是分配到栈上了呢，还是分配到堆上了？

package main

type User struct {
	ID   int64
	Name string
}

func GetUserInfo() *User {
	return &User{ID: 1, Name: "niuben"}
}

func main() {
	_ = GetUserInfo()
}

什么是堆、栈

堆（Heap）：一般来讲是人为手动进行管理，手动申请、分配、释放。一般所涉及的内存大小并不定，一般会存放较大的对象。另外其分配相对慢，涉及到的指令动作也相对多。

栈（Stack）：由编译器进行管理，自动申请、分配、释放。一般不会太大，我们常见的函数参数（不同平台允许存放的数量不同），局部变量等等都会存放在栈上。

Go 语言，它的堆栈分配是通过 Compiler 进行分析，GC 去管理的，而对其的分析选择动作就是今天探讨的重点。

什么是逃逸分析

在编译程序优化理论中，逃逸分析是一种确定指针动态范围的方法，简单来说就是分析在程序的哪些地方可以访问到该指针。

通俗地讲，逃逸分析就是确定一个变量要放堆上还是栈上，规则如下：

1. 是否有在其他地方（非局部）被引用。只有有可能被引用了，那么它一定分配到堆上。否则分配到栈上。
2. 即使没有被外部引用，但对象过大，无法存放在栈区上。依然有可能分配到堆上。

对此可以理解为，逃逸分析是编译器用于决定变量分配到堆上还是栈上的一种行为。

在什么阶段确定逃逸

在编译阶段确定逃逸，注意并不是在运行时。

为什么需要逃逸

这个问题我们可以反过来想，如果变量都分配到堆上了会出现什么事情？例如：

• 垃圾回收（GC）的压力不断增大。
• 申请、分配、回收内存的系统开销增大（相对于栈）。
• 动态分配产生一定量的内存碎片。

简单来说，就是频繁申请并分配堆内存是有一定“代价”的。会影响应用程序运行的效率，间接影响到整体系统。

因此，“按需分配”最大限度的灵活利用资源，才是正确的治理之道。这也就是为什么需要逃逸分析的原因。

怎么确定是否逃逸

第一，通过编译器命令，就可以看到详细的逃逸分析过程。而指令集 -gcflags 用于将标识参数传递给 Go 编译器，涉及如下：

• -m 会打印出逃逸分析的优化策略，实际上最多总共可以用4个 -m，但是信息量较大，一般用1个就可以了。
• -l 会禁用函数内联，在这里禁用掉 inline 能更好的观察逃逸情况，减少干扰。

$ go build -gcflags '-m -l' main.go

第二，通过反编译命令查看

$ go tool compile -S main.go

注：可以通过 go tool compile -help 查看所有允许传递给编译器的标识参数。

逃逸案例

案例一：指针

第一个案例是一开始抛出的问题，现在你再想想看，如下：

package main

type User struct {
	ID   int64
	Name string
}

func GetUserInfo() *User {
	return &User{ID: 1, Name: "niuben"}
}

func main() {
	_ = GetUserInfo()
}

执行命令观察一下，如下：

$ go build -gcflags '-m -l' main.go
# command-line-arguments
./main.go:10:54: &User literal escapes to heap

通过查看分析结果，可得知 &User 逃到了堆里，也就是分配到堆上了。这是不是有问题呀... 再看看汇编代码确定一下，如下：

$ go tool compile -S main.go
"".GetUserInfo STEXT size=190 args=0x8 locals=0x18
 0x0000 00000 (main.go:9) TEXT "".GetUserInfo(SB), $24-8
 ...
 0x0013 00019 (test10.go:8)      MOVQ    BP, 16(SP)
 0x0018 00024 (test10.go:8)      LEAQ    16(SP), BP
 0x001d 00029 (test10.go:8)      FUNCDATA        $0, gclocals·2a5305abe05176240e61b8620e19a815(SB)
 0x001d 00029 (test10.go:8)      FUNCDATA        $1, gclocals·33cdeccccebe80329f1fdbee7f5874cb(SB)
 0x001d 00029 (test10.go:9)      LEAQ    type."".User(SB), AX
 0x0024 00036 (test10.go:9)      MOVQ    AX, (SP)
 0x0028 00040 (test10.go:9)      PCDATA  $1, $0
 0x0028 00040 (test10.go:9)      CALL    runtime.newobject(SB)
 0x002d 00045 (test10.go:9)      MOVQ    8(SP), AX
 0x0032 00050 (test10.go:9)      MOVQ    $1, (AX)
 0x0039 00057 (test10.go:9)      MOVQ    $6, 16(AX)
 0x0041 00065 (test10.go:9)      LEAQ    go.string."niuben"(SB), CX
    ...

我们将目光集中到CALL指令，发现其执行了 runtime.newobject 方法，也就是确实是分配到了堆上。这是为什么呢？

分析结果

这是因为 GetUserInfo() 返回的是指针对象，就应该在堆上？并不。如下：

func main() {
  str := new(string)
  *str = "niuben"

你想想这个对象会分配到哪里？如下：

$ go build -gcflags '-m -l' main.go
# command-line-arguments
./main.go:4:12: main new(string) does not escape

显然，该对象分配到栈上了。很核心的一点就是它有没有被作用域之外所引用，而这里作用域仍然保留在 main 中，因此它没有发生逃逸。

案例二：未确定类型

func main() {
  str := new(string)
  *str = "niuben"

  fmt.Println(str)
}

执行命令观察一下，如下：

$ go build -gcflags '-m -l' main.go
# command-line-arguments
./main.go:9:13: str escapes to heap
./main.go:6:12: new(string) escapes to heap
./main.go:9:13: main ... argument does not escape

通过查看分析结果，可得知 str 变量逃到了堆上，也就是该对象在堆上分配。但上个案例时它还在栈上，我们也就 fmt 输出了它而已。这...到底发生了什么事？

分析结果

相对案例一，案例二只加了一行代码 fmt.Println(str) ，问题肯定出现在它身上。其原型：

func Println(a ...interface{})(n int, err error)

通过对其分析，可得知当形参为 interface 类型时，在编译阶段编译器无法确定其具体的类型。因此会产生逃逸，最终分配到堆上。

如果你有兴趣追源码的话，可以看下内部的 reflect.TypeOf(arg).Kind() 语句，其会造成堆逃逸，而表象就是 interface 类型会导致该对象分配到堆上。

案例三：泄露参数

package main

type User struct {
	ID   int64
	Name string
}

func GetUserInfo(u *User) *User {
	return u
}

func main() {
	_ = GetUserInfo(&User{ID: 1, Name: "niuben"})
}

执行命令观察一下，如下：

$ go build -gcflags '-m -l' main.go
# command-line-arguments
./main.go:9:18: leaking param: u to result ~r1 level=0
./main.go:14:63: main &User literal does not escape

我们注意到 leaking param 的表述，它说明了变量 u 是一个泄露参数。结合代码可得知其传给 GetUserInfo 方法后，没有做任何引用之类的涉及变量的动作，直接就把这个变量返回出去了。

因此这个变量实际上并没有逃逸，它的作用域还在 main() 之中，所以分配在栈上。

再想想

那你再想想怎样才能让它分配到堆上？结合案例一，举一反三。

package main

type User struct {
	ID   int64
	Name string
}

func GetUserInfo(u User) *User {
	return &u
}

func main() {
	_ = GetUserInfo(User{ID: 1, Name: "niuben"})
}

执行命令观察一下，如下：

$ go build -gcflags '-m -l' main.go
# command-line-arguments
./main.go:10:9: &u escapes to heap
./main.go:9:18: moved to heap: u

只要一小改，它就考虑会被外部所引用，因此妥妥的分配到堆上了

总结

在本文我给你介绍了逃逸分析的概念和规则，并列举了一些例子加深理解。但实际肯定远远不止这些案例，你需要做到的是掌握方法，遇到再看就好了。除此之外你还需要注意：

• 静态分配到栈上，性能一定比动态分配到堆上好。
• 底层分配到堆，还是栈。实际上对你来说是透明的，不需要过度关心。
• 每个 Go 版本的逃逸分析都会有所不同（会改变，会优化）。
• 直接通过 go build -gcflags '-m -l' 就可以看到逃逸分析的过程和结果。
• 到处都用指针传递并不一定是最好的，要用对。

这块的知识点。我的建议是适当了解，但没必要硬记，因为 Go 语言每次升级都有可能会改。靠基础知识点加命令调试观察就好了。

参考

• golang 逃逸分析详解
• 灵魂拷问Go语言：这个变量到底分配到哪里了？